第1章 绪论
1.1 研究背景、必要性和意义
天然气作为清洁能源日益受到人们的重视，近年已进入大发展时期。根据《能源发展“十三五”规划》要求，我国到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15％，天然气比重力争达到10％，煤炭消费比重控制在58％以内。2017年发布的《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》中提出，到2030年，天然气在我国一次能源消费中的比重将达到15％左右。天然气需求的大发展也对其输气管道提出了更高的要求。输气管道因其经济性和高效性已成为陆上天然气运输的主要装备，为满足经济发展对天然气的强劲需求，需配套建设大量主干线、支干线、支线天然气管道。加快天然气输送管道建设，形成管道运输网是我国实施能源战略的重要组成部分[1]。
截至2018年年底，我国运行的长输天然气管线总里程达到7.6万km，形成以西气东输一线和二线、川气东送、陕京一线和二线等天然气管道为主干线，以兰银、淮武等为联络线的国家基干管网[1]。未来10年我国将新建西气东输三、四、五和六线以及中俄东和西线、新粤浙等干线管道，形成资源多元、调运灵活和供应稳定的全国天然气保障格局。与此同时，如何确保天然气管道生命线工程安全可靠运行，准确预测天然气管道事故，一直是管道工程设计和防灾减灾技术研究领域致力解决的重要课题。
然而，由于受到近域施工行为、环境腐蚀、机械或材料失效、自然灾害及其他未知因素的影响，输气管道断裂事故时有发生，给人们和社会带来巨大的灾难，图1-1为世界各地输气管道断裂引起的爆炸事故[2]。其中，管道断裂分为脆性断裂和韧性断裂两大类。随着理论研究的深入和冶金工艺的发展，脆性断裂现已得到很好的解决。而值得特别关注的是，由管壁原有缺陷或受到外界冲击作用、环境腐蚀等原因形成的裂纹源，在管内高压气体驱动作用下将发生快速韧性扩展。这种因高压气体驱动导致的轴向裂纹长程扩展，是高压输气管道特有的破坏形式，也是许多灾难性输气管道事故的成因[3]。自20世纪70年代以来，世界范围内发生过上千起输气管道断裂事故，迄今损失*严重的是1989年在苏联乌拉尔山发生的一次输气管道断裂事故，造成上百米管道断裂。为尽量减小损失、加快事故发生后的抢修进程，国内外广泛开展了大口径高压金属管延性扩展的力学行为及其危害效应的研究。意大利 CSM (Centrol Sviluppo Materiali)、美国EURC、俄罗斯JCS Gazprom 等研究机构或厂家[4.6]在先前进行的全尺寸管道爆破试验(burst experiment)的基础上再现了管道轴向裂纹延性长程扩展现象(图1-2)。
图1-1 世界各地输气管道断裂引起的爆炸事故
图1-2 输气管道裂纹扩展破坏
正确合理地设计管道止裂韧性，使其具有足够的抗断裂性能，是输气管道设计的关键内容。由于高压输气管道的断裂涉及裂纹的动态扩展、减压波传播、岩土的约束等复杂的耦合作用过程，因此，基于弹塑性断裂力学的纯理论方法难以准确预测管材的止裂韧性。目前，Battelle 双曲线(Battelle two curve，BTC)方法、日本高强度管线钢委员会(High Strength Line-pipe Committee，HLP)方法等计算模型是预测管道止裂韧性的常用方法[7，8]。这些预测方法都是基于裂纹扩展的气体泄漏特性的数学解法，实现了由管道工作参数推断出止裂所需的临界夏比V形缺口(Charpy V-notch，CVN)或落锤撕裂试验(drop-weight tear test，DWTT)冲击韧性。但这些方法都是经验型的，当管线钢的CVN冲击韧性低于100J时，能够较好地预测出管线钢的抗断裂性能[9]。
随着天然气需求量不断增加，输气管道向大口径、薄壁化及高压输送方向发展。管材性能也不断提高，从*初的普通碳素钢(X46、X52)发展到现今的微合金高强度钢(X70、X80、X90)[1，10]。由于基于CVN能量的公式在预测输气管道的断裂韧性过程中可靠性不理想，Leis[11]对BTC和HLP等方法计算模型进行修正，但仍未很好地解决准确预测管道断裂韧性这一问题。以至于对于现代高钢级(X80及以上)输气管道，全尺寸气体爆破试验仍是确定管道止裂韧性*可靠的方法[12]。我国天然气输气管道爆破试验发展较晚，缺乏相关的试验经验和技术，为满足国内输气管道建设的需求，迫切需要开展输气管道爆破试验研究，突破试验技术瓶颈。
尽管全尺寸气体爆破试验是确定管道止裂韧性*可靠的方法，但因其耗费大、时间长、结果特定于某类管道等缺点，应用范围受限。为适应输气管道向高钢级、高压输送方向发展的趋势，研究新的止裂设计方法势在必行。而以上工作必须是建立在对高钢级管材断裂行为有深刻认识的基础上，即认知裂纹韧性扩展动力行为是实现管道断裂事故防灾减灾的必要前提。然而自20世纪70年代人们开始关注输气管道延性断裂问题以来，虽然对输气管道动态断裂的内在机理认识不断深入，但因输气管道裂纹扩展涉及问题复杂，有许多突出问题仍未解决。
随着输气管道管径和压力的增大，管道断裂后的破坏效应将进一步增大。因此，研究高压输气管道断裂后的破坏机理及作用范围也是管道安全设计的重要内容。目前研究表明[13，14]，高压输气管道发生断裂对周边环境将产生以下严重影响：à管内气体随裂纹开裂产生高速喷射运动的反向力通过管体作用于周边岩土介质中，形成在固体介质中传播的冲击波和地震波破坏效应；浅埋管道内高压气体泄漏膨胀时，压缩周围空气，形成近地面冲击波传播破坏效应；泄漏气体上升扩散与空气混合形成气团，遇到点火源时将发生爆燃，形成空中热辐射和二次空气冲击波传播的破坏效应。
国内外对输气管道断裂后泄漏气体爆燃形成的热辐射和空气冲击波破坏效应进行了大量的研究[15.19]，而输气管道断裂产生的地震波及泄漏气体物理爆炸形成的冲击波研究却鲜见报道。分析表明[20]，输气管道断裂对周围岩土介质冲击压缩及气体泄漏膨胀形成的空气冲击波皆会对邻近管道及建(构)筑物造成损伤。因此，有必要研究它们的特性和传播规律，为输气管道的设计及防护提供依据。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 输气管道风险分析
高压输气管道的断裂涉及裂纹动态扩展、气体泄漏和爆炸，从而造成火灾和爆炸事故，对周围设备和建筑物造成破坏，甚至造成人员伤亡。因此，必须采用一定的方法对管道的断裂性能及断后的风险进行评估，做好事故的预防工作，从而有效地防止输气管道灾难性事故的发生。
20世纪70年代，欧洲和美国等发达国家或地区输气管道事故频发，严重影响人员、财产和环境安全，为此，相关国家和研究机构以工业领域和保险学中的风险分析技术为基础，尝试对输气管道进行风险分析。国际管道研究协会(Pipeline Research Council International，PRCI)对金属腐蚀、火灾、外部作用、疲劳破损等21种引起失效的因素进行分类。1985年美国 Battelle Columbus发表的《风险调查指南》在管道安全风险分析方面首次应用评分法；1992年 Muhlbauer撰写的《管道风险管理手册》详细论述管道风险评估模型和评价方法，总结美国油气管道风险评价技术研究的成果，为开发管道风险评估软件提供依据。该书在1996年再版时着重介绍不同条件下的管道风险评价修正模型，并增加了管道成本与风险之间关系的内容，更具实际意义。
1995年，我国的一些管道技术专家开始将国外关于管道风险技术的研究进展介绍到国内。此后，风险分析在管道安全评价中的应用研究得到部分油田企业的重视。1995年12月四川石油管理局编译出版的《管道风险管理》重点介绍了Muhlbauer的方法。
1.2.2 输气管道断裂研究
1.含裂纹薄壁结构的断裂评估方法
早期工程中主要使用强度准则作为设计依据，但在输气管道和压力容器运行过程中低应力脆性断裂事故时有发生。通过对大量低应力脆性断裂事故的研究发现，结构存在缺陷或裂纹造成材料强度降低，是发生低应力破坏的主要原因。基于上述问题的发现，人们开始研究含裂纹结构的安全性，并逐步形成断裂力学学科。
当压力容器和输气管道等薄壁结构存在裂纹时，在内压作用下，裂纹尖端附近的应力场具有奇异性，即裂纹尖端应力无穷大，需使用表征裂纹尖端应力应变场强度的断裂力学参数来建立材料的断裂失效判据。目前描述材料断裂的参数有以下三类：表征线弹性断裂的Irwin应力强度因子KI[21]、描述弹塑性断裂的裂纹尖端张开位移(CTOD)[22]以及兼具多重意义的J积分[23]。这些参数伴随着断裂力学的发展而确立，目前已被广泛应用于断裂评估[24]。
1957年，Irwin[21，25]提出了应力场强度的观点，引入应力强度因子KI，用于表征裂尖附近应力场强弱的程度。例如，含有2a长穿透裂纹的无限大平板受到I型荷载作用时，其裂纹尖端应力场为
(1-1)
式中，i和j代表矩形坐标x和y或者建立在裂纹尖端的极坐标r和θ；是角函数；KI是应力强度因子。应力强度因子KI表征裂纹尖端奇异性的强度，与裂纹尺寸、形状及载荷等因素相关。
当裂尖的应力强度因子KI达到某一临界值KC时，裂纹将失稳扩展。KC为结构材料线弹性条件下的断裂韧度。实际上，应力强度因子KI与应变能释放率G存在的转换关系。
对于韧性较好的金属结构，比如高钢级管道、压力容器等，其裂纹尖端附近发生大范围或全面的屈服，线弹性断裂力学无法解决上述问题。为此必须考虑裂纹的弹塑性行为，建立弹塑性断裂模型。1963年，Wells[26]提出弹塑性材料的裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement， CTOD)准则。该准则以裂纹尖端张开位移δ是否达到临界值δc作为判断裂纹开裂的判据。通常δc越大，表明材料在破坏前所能承受的塑性变形越大，材料的塑性越好。
1968年，Rice[27]提出J积分，并与Hutchinson和Rosengren[24]建立了HRR理论，奠定了J积分在弹塑性断裂力学中的主导地位。对于二维应力、应变场，J积分定义为
(1-2)
式中，积分路径Γ(图1-3)为从裂纹下表面任意一点逆时针绕裂纹尖端到达裂纹上表面的任意一点；ω为应变能密度，是积分路径Γ上的位移；nj是积分路径Γ上弧元素外法线的方向余弦。
与应力强度因子KI类似，J积分也可以建立弹塑性断裂准则：当时，裂纹将发生失稳扩展，相反则不会扩展。在线弹性情况下，J积分与应力强度因子可以互相转换：。对于幂硬化弹塑性材料，裂纹尖端的应力、应变场[28]可以表示为
(1-3)
(1-4)
式中，ε0为参考应变，是应变硬化指数；In是积分常数；和分别是n和θ的无量纲函数。
式(1-3)和式(1-4)描述的裂尖场被称为HRR奇异场，J积分描述弹塑性材料裂纹尖端奇异性强度。
图1-3 J积分定义
运用断裂力学理论对含有缺陷的结构进行分析，评价缺陷结构是否危害材料结构的可靠安全性，是进行管道起裂分析的依据[29]。针对裂纹型缺陷的安全评价方法，具有代表性的方法有：欧洲共同体提出的结构完整性评定方法(structural integrity assessment procedure，SINTAP)[30]，英国的“含有缺陷的结构完整性的评价”(CEGB R6)[31]以及我国的《在用含缺陷压力容器安全评定》(GB/T 19624—2004)[32]等。这些评价方法都是以含裂纹缺陷构件的断裂参量作为基本的失效判据，并对其安全性、缺陷容限以及材料断裂韧性临界值进行评估。因此，对裂纹结构进行安全评估时，必须深入了解结构上裂纹的驱动力，准确计算含裂纹结构的断裂参量。
随着高钢级管线钢的快速发展，输气管道的强度、韧
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